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1、第7章 机械工程材料的合理选用,Rational Selection and Application of Mechanical Engineering Materials,主要问题提示(Key questions and clues),1.您能分析与说明机械工程材料合理选用的基本原则吗？2.气轮机叶片常见的失效形式有哪些？叶片材料的选择主要取决于什么，请结合材料的选择说明之。3.如何进行齿轮、轴类这两类典型零件的合理选材分析呢？您能正确制定其加工工艺路线及相应的热处理工艺吗？从比较这两类典型零件的选材特点，可以得出何种结论呢？4.您熟悉金属材料常见的三种加工工艺路线吗？,学习重点与方法提示（
2、Hints for the main points and methods to be studied）,本章是该课程教学的第4个重点，它实际上是前述各章知识内容的综合应用，也是学习本课程的落脚点即初步做到能正确、合理地选用工程材料，安排其加工工艺路线的能力。因此，本章教学的重点为机械零件合理选材的基本原则与典型零件（齿轮和轴类）选材综合分析的思路与方法。本章学习方法提示：紧紧把握贯串材料科学的主线索（材料的成分组织结构加工工艺失效分析性能应用），综合运用前述各章知识内容，熟记合理选材的基本原则；以典型机械零件（齿轮、轴类）选材分析为例，初步学会综合分析问题、解决问题的思路与方法。有条件情况下
3、，请结合工厂调查研究，尝试分析一种典型机械零件（如车刀，某汽车发动机曲轴等）的合理选材与正确制定其加工工艺路线。,7.1 机械工程材料合理选用的基本原则Fundamentals of Rational Selection and application for Mechanical Engineering Materials,7.1.1 充分考虑材料的使用性能原则(Fully considering usability fundamentals of engineering materials)7.1.2 必须兼顾材料的工艺性能原则(Technological properties funda
4、mentals must be taken care of the needs)7.1.3 注重选材的经济性原则(Considering economic fundamentals of materials selection to be important)7.1.4 走可持续发展之路，选择生态环境材料（绿色材料）（Insisting on a continuous developmental way and selecting ecological ecomaterials）,7.1.1 充分考虑材料的使用性能原则(Fully considering usability fundament
5、als of engineering materials),零件的使用性能是保证工作时安全可靠、经久耐用的必要条件。在大多数情况下是选材时首要考虑的问题，而一般机械零件使用时又主要考虑其中力学性能。其基本思路如图0.1所示,主要考虑以下使用性能指标。1.分析零件的工作条件，初步确定零件的使用性能指标零件工作条件的分析包括以下三方面内容。（1）零件的受力情况(即载荷形式、类型、大小和分布等)要判明是受拉伸、压缩、扭转、剪切或弯曲载荷中的哪一种；是静、动还是交变载荷;载荷的大小及分布状况（均匀分布或有较大的局部应力集中）等。（2）零件的工作环境 主要指温度和环境介质的性质，是否有腐蚀性等。（3）零
6、件特殊性能要求 如电、磁、热等及密度、外观、色泽等，都要加以分析、对比。在上述工作条件分析基础上确定零件的使用性能。例如静载时，材料对弹性或塑性变形抗力是主要使用性能;交变载荷时，疲劳抗力是主要使用性能等。但上述分析带有一定预估主观性，难免会对零件实际工作条件下的某些因素估计不足，甚至由于人为忽略某些因素而产生一定偏差，为此还须进行失效分析。,0.1 贯穿机械工程材料全课程的“纲”,7.1.1 充分考虑材料的使用性能原则(Fully considering usability fundamentals of engineering materials),2.对零件进行失效分析，最终确定其主要的
7、使用性能指标失效分析的目的就是要找出产生失效的主导因素，为较准确地确定零件主要使用性能提供经过实践检验的可靠依据。例如，长期以来，人们认为发动机曲轴的主要使用性能是高的冲击抗力和耐磨性，必须选用45钢。而失效分析结果表明，曲轴的失效方式主要是疲劳断裂，其主要使用性能应是疲劳抗力。所以，以疲劳强度为主要失效抗力指标来设计、制造曲轴，其质量和寿命显著提高，而且在一定条件下可选用球墨铸铁来制造。,0.1 贯穿机械工程材料全课程的“纲”,7.1.1 充分考虑材料的使用性能原则(Fully considering usability fundamentals of engineering materia
8、ls),3.将零件使用性能转化为材料的使用性能指标在零件工作条件和失效分析的基础上确定了零件的使用性能要求，然后将其转化为某些可测量的实验室性能指标，如强度、硬度、韧性、耐磨性等具体数值。这是选材最关键最困难的一步。确定具体性能指标后即可利用手册或实验数据进行选材。（1）根据力学性能选材应充分考虑的几点材料的性能与加工、处理条件的关系 材料的力学性能不仅决定于化学成分，且也决定于其加工处理后状态。因此在选材的同时，需考虑相应加工、处理条件，特别是热处理工艺，确定热处理技术要求，以确保零件质量，充分发挥材料潜力。材料的尺寸效应 指材料截面大小不同，即使热处理相同，其力学性能也会产生很大差异。随截
9、面尺寸增大，材料的力学性能将下降，这种现象称为材料的“尺寸效应”。金属材料，特别是钢材的尺寸效应尤为显著，随尺寸加大，其强度(Rm、ReL)、塑性(A、Z)、冲击吸收功（AK）均下降，尤以韧度下降最为明显。淬透性越低的钢，尺寸效应就越明显。材料的缺口敏感性 实验所用试样形状简单且多为光滑试样。但实际使用零件中，如台阶、键槽、螺纹、焊缝、刀痕、裂纹、夹杂等都是不可避免的，其皆为“缺口”。在复杂应力下，这些缺口处将产生严重的应力集中。因此，光滑试样拉伸试验时，可表现出高强度与足够塑性，而实际使用时就表现为低强度、高脆性。且材料越硬、应力越复杂，表现越敏感。例如，正火45钢光滑试样的弯曲疲劳极限为2
10、80MPa，而用其制造带直角键槽轴的弯曲疲劳极限则为140 MPa；若改成圆角键槽的轴，其弯曲疲劳极限则为220MPa。因此在应用性能指标时，必须结合零件的实际条件修正。必要时，可通过模拟试验取得数据作为设计零件和选材的依据。,3.将零件使用性能转化为材料的使用性能指标（1）根据力学性能选材应充分考虑的几点,硬度值在设计中的作用 由于硬度值的测定方法既简便又不破坏零件，并且在确定条件下与某些力学性能有大致的固定关系，所以在设计和实际生产过程中，往往用硬度值作为控制材料性能和质量检验标准。但应明确，它也有很大的局限性。例如，硬度对材料的组织不够敏感，经不同处理的材料可获得相同的硬度值，而其它力学
11、性能却相差很大，因而不能确保零件的使用安全。所以，设计中在给出硬度值的同时，还必须对处理工艺(主要是热处理工艺)作出明确的规定。（2）还应注意特殊条件下工作零件应具备特殊性能要求 除根据力学性能选材外，对于特殊条件下工作(如高温和腐蚀介质中等特殊条件下工作)的零件还要求材料具有特殊的物理、化学性能(如优良的化学稳定性即抗氧化性和耐腐蚀性)等。4.热处理技术条件的标注根据零件的工作特性，提出热处理技术条件。图纸上要求书写相应的工艺名称，如调质、正火、退火等。并标注其硬度值范围，其波动范围一般为:C级洛氏硬度HRC在5个单位左右，布氏硬度在3040个单位左右。,7.1.2 必须兼顾材料的工艺性能原
12、则(Technological properties fundamentals must be taken care of the needs),所谓材料的工艺性能，即指材料加工成零件的难易程度，它也应是选材时必须考虑的重要问题。选用工艺性能良好的材料，是确保产品质量、提高加工效率、降低工艺成本的重要条件之一。它包括材料(零件)的加工工艺路线和材料的工艺性能两个方面。1.工程材料的加工工艺路线设计者通常根据零件的形状、最终性能要求、尺寸精度及表面粗糙度的要求，以及按照使用性能初选出来的材料，综合考虑，制定出零件的加工工艺路线方案。常见工程材料一般加工工艺路线概括如下:（1）聚合物材料聚合物材料
13、(有机物原料或型材)成型加工（热压、注塑、热挤、喷射、真空成形等）切削加工，或热处理、焊接等 零件。（2）陶瓷材料陶瓷材料(氧化物、碳化物、氮化物等粉末)成型加工（配料 压制 烧结）磨削加工，或热处理 零件。,1.工程材料的加工工艺路线,（3）金属材料按零件形状及性能要求可以有不同的加工工艺路线，大致分为三类。性能要求不高的一般零件(如铸铁、碳钢、低碳低合金钢件等)：坯料（冷冲压、铸或锻、焊接或型材）热处理（正火或退火）机械加工(切削)零件；性能要求较高的机械零件(如合金钢、高强铝合金等)：坯料（型材或锻造）预先热处理（正火或退火）粗机械(切削)加工 最终热处理（淬、回火，或固溶+时效，或表面
14、热处理等）精加工 零件；性能要求较高的精密零件(如合金钢制造的精密丝杠、镗床主轴等)：坯料（型材或锻造）预先热处理（正火或退火）粗机械加工 最终热处理（淬、回火，或固溶+时效，或表面热处理）半精加工 稳定化处理或氮化 精加工 稳定化处理零件。性能要求较高的零件用材，多采用合金钢或优质合金钢来制造，这些材料的工艺性能一般都较差，因此必须十分重视其工艺性能的分析。,真空成形,2.工程材料的工艺性能分析,当用聚合物材料制造零件时，其主要工艺为成型加工，且工艺性能良好，所用工具为成型摸，具体成型方法如注射成型法、挤压成型法、模压成型法、吹塑成型法、真空成型法等。聚合物一般也易于进行切削加工，但因其导热
15、性较差，在切削过程中应注意工件温度急剧升高而导致的软化（热塑性塑料）和烧焦（热固性塑料）现象。少数情况下，聚合物还可焊接与热处理，其工艺简单易行。,注射成形,挤压成形,2.工程材料的工艺性能分析,陶瓷材料硬而脆且导热性较差，其制品加工工艺路线亦较简单。主要为成型（包括高温烧结），根据陶瓷制品的材料、性能要求、形状尺寸精度及生产率不同，可选用粉浆成型、压制成型、挤压成型、可塑成型等方法。陶瓷材料的切削加工性能极差，除极少数陶瓷外（如氮化硼陶瓷），其它陶瓷均不可切削加工。陶瓷虽可磨削加工，但磨削性能也不佳，且必选用超硬材料砂轮（如金刚石砂轮）。陶瓷也可热处理，但因导热性与耐热冲击性差，故加热与冷却
16、时应小心，否则极易产生裂纹。,2.工程材料的工艺性能分析,金属材料，特别是钢的加工工艺复杂，工艺性能问题较为突出，故对其工艺性能的要求较高。金属材料的加工工艺性能主要包括:（1）铸造性能 它包括流动性、收缩性、偏析倾向等。从二元相图上液-固相线间距越小、越接近共晶成分的合金均具有较好的铸造性能。所以铸造铝和铜合金的铸造性能优于铸铁和铸钢，而铸铁又优于铸钢；在钢的范围内，中、低碳钢的铸造性能又优于高碳钢，故高碳钢较少用作铸件。因此，对于承载不大、受力简单而结构复杂、尤其是有复杂内腔结构的零部件，如机床床身，发动机气缸等，常选用铸件。（2）压力加工（锻压）性能 主要指冷、热压力加工时的塑性和变形抗
17、力及可热塑性加工的温度范围、抗氧化性和加热、冷却要求等。变形铝合金和铜合金、低碳钢和低碳合金钢的塑性好，有较好的冷压加工性，铸铁和铸铝合金完全不能进行冷、热压力加工，高碳合金钢如高速钢，Cr12MoV钢等不能进行冷压力加工，其热压力加工性能也较差，高温合金的热压力加工性能则更差。（3）焊接性能 系指在生产条件下接受焊接的能力，称为可焊性，一般用焊缝处出现裂纹、脆性、气孔等缺陷的倾向来衡量。一般情况下钢中碳含量和合金元素含量越高，可焊性越差，所以低碳钢、低碳低合金钢的可焊性好，碳含量045%的碳钢或038%的合金钢可焊性较差。灰铸铁的可焊性比碳钢差很多，一般只对铸件进行补焊，球墨铸铁的可焊性更差
18、。铜、铝合金的可焊性一般都比碳钢差，由于其导热性大，故需功率大而集中热源或采取预热，如铝合金可焊性不好，一般采用氩弧焊。,2.工程材料的工艺性能分析,（4）切削加工性能 一般用切削抗力、加工零件表面粗糙度、排屑的难易程度和刀具磨损量等来衡量。它不仅与材料本身的化学成分、组织和力学性能有关，而且与刃具的几何形状、耐用度、切削速度、切削力等因素有关。以钢为例，当化学成分一定时，可通过热处理改变钢的组织和性能来改善钢的切削加工性能。钢的硬度在170250HBW时，适宜进行切削加工，硬度在250HBW时可改善切削表面粗糙度，但刀具磨损较严重。粗加工选其下限，精加工选其上限为宜，若钢的硬度170HBW时
19、，在机加工前应进行正火，使硬度提高至规定范围，若钢硬度250HBW时，在切削加工之前应进行退火或调质处理，使其硬度降至规定范围。铝合金切削加工性能最好，钢中以易削钢的切削加工性最好，奥氏体不锈钢及高碳高合金钢如高速钢的切削加工性最差。（5）热处理工艺性能 系指材料接受热处理的能力，包括淬硬性、淬透性、淬火变形和开裂的倾向、过热敏感性、回火脆性和氧化、脱碳倾向等。,2.工程材料的工艺性能分析,大多数钢和铝合金都可进行热处理强化，铜合金只有少数能进行热处理强化。对于需热处理强化的金属材料(尤其是钢)，热处理工艺性能特别重要。合金钢的热处理工艺性能比碳钢好，故结构形状复杂或尺寸较大且强度要求高的重要
20、机械零件都用合金钢制造。综上所述，一个零件从毛坯直至加工成合格产品的全部工艺过程是一个整体，只熟悉某些工艺而对其它工艺的作用、影响不甚了解或不大关心是不行的，因零件在每道工艺过程中，其外形尺寸、内部组织及应用状态都在不断变化，只有控制且按照设计者要求方向去变，才能制成高质量零件。此外，在大批量生产时，有时工艺性能可成为选材的决定因素。有些材料使用性能虽好，但由于工艺性能差而限制其应用。如24SiMnWV钢拟作为20CrMnTi的代用材料，虽其力学性能优，但因正火后硬度较高，切削加工性差，不能适应大量生产要求而未被采用。相反，有些材料使用性能不是很好，例如易削钢，但因其切削加工性好，适于自动机床
21、大批量生产，故常用于制作受力不大的普通标准件。,3.零件结构设计与热处理工艺性能关系,在实际生产中，设计人员往往仅偏面、孤立地使零件结构形状适合部件机构的需要，而忽略了零件在加工或热处理过程中，因结构形状不合理而导致热处理淬火变形、开裂，而使零件报废。为此，在设计淬火零件结构形状时，应掌握以下原则:（1）避免尖角和棱角 零件的尖角、棱角处是淬火应力最为集中地方，往往导致淬火裂纹，因此在设计带有尖角、棱角的零件时，应尽量加工成园角、倒角以避免开裂。,3.零件结构设计与热处理工艺性能关系,（2）避免截面突变(断面薄厚相悬殊)厚薄悬殊的零件，在淬火冷却时，由于冷却不均匀而造成的变形、开裂倾向较大，可
22、采用开工艺孔、加厚零件太薄部分、合理安排孔洞位置或变不通孔为通孔等方法加以解决。（3）采用封闭、对称结构 开口或不对称结构的零件在淬火时应力分布亦不均匀，易引起变形，应改为封闭或对称结构。,3.零件结构设计与热处理工艺性能关系,（4）采用组合结构 某些有淬裂倾向而各部分工作条件要求不同的零件或形状复杂的零件，在可能条件下可采用组合结构或镶拼结构。,大型剪刀板应采用镶拼结构,5.1.3 注重选材的经济性原则(Considering economic fundamentals of materials selection to be important),材料的经济性，是选材的根本原则。采用便宜的
23、材料，把总成本降至最低，取得最大的经济效益，使产品在市场上具有最强的竞争力，始终是设计工作的重要任务。应当指出，所选材料是否符合经济性原则，绝不仅仅是指原材料的价格，在许多情况下，选用便宜的材料并不是最经济的。面对市场经济，运用价值工程方法来分析产品的功能成本是从经济观点选用材料，提高产品质量、降低成本的一种行之有效的分析方法。价值工程(亦称价值分析)，它是以提高产品价值为目的，通过有组织、创造性工作，寻求用最低寿命周期成本，可靠地实现产品的必要功能，而着重于功能分析，以求推陈出新，促使产品更新换代的一种管理技术。而产品的价值(V)系指产品具有用户要求功能(F)与取得该功能所耗成本(C)的比值
24、。机械产品的功能(F)指产品的使用性能、工艺性能、产品质量等。产品的价值可用下式表示:V(价值)=F(功能)/C(产品的寿命周期成本),5.1.3 注重选材的经济性原则(Considering economic fundamentals of materials selection to be important),随着生产的发展，人们越来越深刻地意识到购买者需要的不是产品的本身而是产品的功能。在产品竞争的角逐中，必须设法通过设计制造以最低的成本提供用户所需要的功能。在保证同样功能条件下，还要比较功能的优劣性能、产品质量，只有功能全，性能好、质量好，成本低的产品在竞争中才具有优势。产品寿命周期
25、成本(C)：它是讨论经济性的出发点。它系指产品从诞生直到报废为止的费用支出总和，它等于产品制造成本Cm(包括原材料、加工及管理费用等)和在规定周期内的使用成本Cu(指产品在用户使用过程时的成本，包括维护、修理、更换零件等)两者之和，可表达为:C=Cm+Cu。,图7.1 寿命周期功能曲线,由右图7.1可看出，只有Cm和Cu两者都适中，才能与寿命周期成本最低值(Cmin)相对应。Cmin是价值工程活动中所要求达到最低成本点，这时产品的功能则相应有一最适应水平Fm。若产品功能超过Fm点，虽使用成本Cu可降低，但制造成本Cm提高了，这样总成本C也随之提高。反之，若产品功能降低，虽制造成本Cm降低，但使
26、用成本Cu升高，这样总成本也随之提高。因此，只有当功能F与成本C匹配时，总成本才能达到 Fm点。这是价值工程活动的最佳值，也是开展价值工程活动的奋斗目标。,7.1.4 走可持续发展之路，选择生态环境材料（To use environment friendly materials and achieve sustainable development）,何谓“可持续发展”呢？第42届联合国环境与发展大会通过的我们共同的未来报告中，将其表述为“既满足当代的需要、又不致损害子孙后代满足其需要之能力的发展”，它的基本含义是要保证人类社会具有长远的、持续发展的能力。如今，可持续发展这一概念正日益被各国政
27、府和民众普遍接受，并逐渐成为全人类广泛接受、追求的发展模式。保护环境、节约资源和能源是实现可持续发展的关键。而“生态环境材料”系指“同时具有满意的使用性能和优良的环境协调性，或者能够改善环境的材料。”所谓环境协调性，是指资源和能源消耗少，环境污染小和循环再利用率高。21世纪是知识经济时代，同时也是可持续发展的世纪。社会、经济的可持续发展要求以自然资源为基础，与环境承载能力相协调。开发、研制与使用生态环境材料，恢复被破坏的生态环境，减少废气、污水、固态废弃物对环境的污染，控制全球气候变暖、减缓土地沙漠化，用材料科学与技术来改善生态环境，是历史发展的必然，也是材料科学的进步。,7.1.4 走可持续
28、发展之路，选择生态环境材料（To use environment friendly materials and achieve sustainable development）,1.在保证满足使用性能条件下，尽量选用节约资源、降低能耗的材料选择生态环境材料，这是从材料角度保证实施可持续发展的根本出路。例如，在保证上述性能条件下选择非调质钢代替调质钢，既节省了能源，又减少环境污染。2.开发与选用环境相容性的新材料，并对现有材料进行环境协调性改性 这是生态环境材料应用研究的主要内容。到目前为止，在纯天然材料、生物医学材料、生态建材乃至新型金属材料等方面的开发和应用都有较大的进展。例如，对于采用二次
29、精练、控制轧制与控制冷却等新技术而制得的新型工程构件用钢，强度、硬度与塑性、韧性等性能均获得较大程度提高，而且节约了原材料，降低了能耗。,7.1.4 走可持续发展之路，选择生态环境材料（To use environment friendly materials and achieve sustainable development）,3.尽可能地选用环境降解材料生态环境材料应用研究的另一个方面就是对环境降解材料的研究。目前的研究重点主要是光-生物共降解材料的开发，及规模化工业生产工艺等。当产品使用报废后，其废弃物材料若不易分解且难于为自然界所吸收，将对环境产生极大的污染，如聚合物材料的加工和使用后的废弃物就会造成严重的环境污染。在此情况下，应优先选用可环境降解的新型塑料制品。这种新型塑料在废弃后，能在一定时间内经光合作用而脆化、降解成碎片，再经大自然的侵蚀而进入土壤被微生物消化，这样就不会给环境造成污染。4.针对积累下来的污染问题，开发门类齐全的生态环境材料 对环境进行修复、净化或替代等处理，逐渐改善地球的生态环境，使之朝可持续发展的方向前进。,
